Цифровой измеритель температуры

(51)4 С 01 К 7 ИСАНИ й 15ДунскийНефедова льство СССР7/22, 1984.ство СССР7/22, 1985. ФРОВОЙ ИЗМЕРИТ обретение каса ерений, Цель и 54) ТЕМПЕРАТУРЫ 57) И ся тем атур обретенияерения. Устр-воорного напря 2, термопреповышение точнос з источник 1алоговый клю о 2 и жения фм 4 Ф фдд Ю ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(56) Авторское свидетВ 1068738, кл. С 01 КАвторское свидетел1278623, кл. С 01 К БРЕТЕНИЯ образователь 3 сопротивления, резисторы 4 и 6, усилитель 5, генератор7, блок 8 сравнения, счетчики 9, 12,элементы И 10, 15, 19, 20 и 27, дешифратор 11, формирователи 13 и 14,элементы ИЛИ 16, 17, триггер 18, инвертор 21, усилитель 22, интегратор23, частотомер 24, делитель 26 частоты, счетчик 28, блок 29 памяти ииндикатор 30. Введение новых элементов и образование новых связей междуэлементами устр-ва позволяет уменьшить погрешность измерения, вызванную временной и температурной нестабильностью времяэадающей цепи генератора 7 и элементов частотомера 24, 1390516Изобретение относится к областитемпературных измерений, а именноцифровым измерителям температуры,Целью изобретения является повы 5шение точности измерения путем уменьшения погрешности измерения, вызванной временной и температурной нестабильностью времязадающей цепи генератора экспоненциального напряженияи элементов цифрового частотомера,На фиг. 1 представлена блок-схемацифрового измерителя температуры;на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов элементов измерителя,Цифровой измеритель температурысодержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивления, дополнительный резистор 4, инвертирующийусилитель 5 постоянного тока (УПТ)с резистором 6, включенным в цепьотрицательной обратной связи, генератор 7 экспоненциального напряжения, блок 8 сравнения, первый счетчик 9, первый элемент И 10, дешифратор 11, второй счетчик 12, формирователь 13 заднего фронта, формирователь 14 переднего фронта, второй элементИ 15 первый элемент ИЛИ 16 второй элеУ 130мент ИЛИ 17, триггер 18, третий элементИ 19, четвертый элемент И 20, инвертор 21, дифференциальный усилительпостоянного тока (УПТ) 22, интегратор23 и цифровой частотомер 24,Цифровой частотомер 24 содержитуправляемый генератор 25 опорной частоты, делитель 26 частоты, элементИ 27, рабочий счетчик 28, блок 29памяти и цифровой индикатор 30, вы 40ходы которого являются выходами цифрового частотомера.Генератор 7 экспоненциального напряжения может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных конденсатора 31 и резистора32, причем точка соединения однойиз обкладок конденсатора 31 и одногоиз выводов резистора 32 является выходом генератора 7, другая обкладкаконденсатора - первым входом генератора 7, а другой вывод резистора 32подключен к шине нулевого потенциала. Кроме этого, генератор 7 можетсодержать аналоговый ключ 33, подключенный параллельно обкладкам 55конденсатора 31, при этом управляющий вход аналогового ключа 33 является вторым входом генератора 7. Блок 8 сравнения может быть выполнен, например, в виде операционного усилителя 34, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а к инвертирующему пбдключены резисторы 35 и 36.Интегратор 23 может быть выполнен на операционном усилителе 37, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор 38, неинвертирующий вход подключен к шине нулевого потенциала, а инвертирующий - к одному из выводов резистора 39. Другой вывод резистора 39 является входом интегратора 23.Измеритель работает следующим образом.В момент изменения выходного сигнала дешифратора 11 с нулевого в единичный он, поступая на управляющий вход аналогового ключа 2, устанавливает его в такое положение, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается дополнительный резистор 4 и подключается терморезистор 3. При этом напряжение на выходе УПТ 5 изменяется скачком от значения11 Ко (г 1 Ко опт ЦоК доупт о К ь3 т где П, - величина выходного напряжения опорного источника 1;К - величина сопротивления резистора в обратной связи усилителя 5 постоянного тока;К - величина сопротивления дополнительного резистора 4;К - величина сопротивления тертморезистора 3.Величина сопротивления терморезистора 3 изменяется при изменении измеряемой температуры по законуК = А еьттЭгде А, В - постоянные коэффициентытерморезистора;е - основание натурального логарифма;Т - величина измеряемой температуры,При этом выходное напряжение УПТ5 Ццт, временная диаграмма которогопредставлена на графике 40 (фиг2),соответствующее уровню измеряемойтемпературы П , подается на одинрой вход которого поступает напряжение Ба с выхода генератора 7, представленное на графике 4 1:Еф1 = Поеэ о ., ю Кз 1 К эсК +К ф 15 Сформированный на выходе блока сравнения в момент его срабатывания импульс поступает на один из вхо дов первого элемента И 10 и вследствие того, что на другом его входе в это время присутствует разрешающий где- текущее время, прошедшее отначала генерирования экспоненциального напряжения; 10- постоянная генератора 7;С - величина емкости конденсатора 31;К , К величина сопротивлений резисторов 32 и 36.В момент равенства суммы токов 1 и 1 , протекающих через резисторы 35 и 36 блока 8 сравнения, нулю(а 1 гВХУ ПЗКЗ Вх- ПупгК Вэ при КМ = КЗВ равенства иупт+ иэ=о 20 на выходе операционного усилителя 34 блока 8 сравнения эа счет высокого коэффициента в разомкнутом состоянии появляется скачок положительного напряжения, который поступает на управляющий вход аналогового ключа генератора 7. Ключ 33 эакорачивает обкладки конденсатора 31, и разряжает его. При этом выходное напряжение генератора 7 скачком устанавливается в исходное состояние Бэ = Уо, в результате чего положительный сигнал на выходе блока 8 сравнения скачком уменьшается до нуля, что в свою очередь приводит к размыканию аналогового ключа 33, и начинается новый цикл генерирования экспоненциального напряжения, определяющий начало формирования временного интервала задержки. При этом на выходе блока 8 сравнения в момент каждого его срабатывания формируется импульс. Выходной сигнал блока 8 сравнения представлен на графике 42. Время Н,(, прошедшее от начала генерирования экспоненциального напряжения до момента сраба 45 тывания блока 8 сравнения, определяемое иэ равенства Пут+ П = 0 илиЬПоКоф В "( ---- + У есоставит Р(= --Ае а(т оТ 50Ксигнал логической единицы с выходадешифратора 11, он проходит на ньходи далее на вход нулевого сброса первого счетчика 9. Импульсный сигнална выходе элемента И 10 представленна графике 43.При этом сигнал на выходе дешифратора 11, представленный на графике44, меняется с единичного на нулевой,поступает на управляющий вход аналогового ключа 2 и устанавливает его втакое состояние, при котором от выхода источника 1 опорного напряженияотключается терморезистор 3 и подключается дополнительный резистор 4, чтов свою очередь приводит к скачкообразному изменению напряжения на выходе УПТ 5 от величины Б ,ПОКО ) Кодо П -УК упт о Кт 9С этого момента начинается процесс формирования временного интервала задержкиВремя (, прошедшее от момента начала генерирования экспоенциального напряжения, определяемого предыдущим срабатыванием блока сравнения, до момента его нового срабатьвания, определяемое из равенства"у(т + Пэ О или л.составит С =1 п Сформированньп на выходе блока сравнения импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10, соединенного с выходом дешифратора 11, присутствующим на нем сигналом нулевого уровня не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, поступая на счетный вход первого счетчика 9, изменяет по своему заднему фронту соответствующим образом его состояние, Так как при этом сигнал на выходе дешифратора 11 изменился, сформированный на выходе блока 8 сравнения импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10 по входу, соединенному с выходом дешифратора 11, присутствующим на нем нулевым сигналом не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, а поступает на счетный вход первого счетчика 9 по своему заднему фронту и изменяет соответствующим образом его состояние. Так как при этом сиг 1390516нал цд выходе лешпфрдторд 11 це измс -цился, то очередной и последующиеимпульсы цд выходе блока 8 сравнения:1 п Л,Р к Тдк будет продолжаться до момента формирования и-го импульса, считая 10 с момента нулевого сброса первого счетчика 9, т.е. с момента начала формирования временного интервала задержки . Этот импульс, поступая на счетный вход первого счетчика 9, устанавливает его выходы в такое состояние, при котором уровень на выходе дешифратора 11 меняется с нулевого опять на единичный, При этом аналоговый ключ 2 вновь отключает выход источника 1 опорного напряжения от вывода дополнительного резистора 4 и подключает к нему вывод терморезистора 3. В этот момент заканчивается Формирование временного интервала задержки, длительность котороготаким образом составит пС = па 1 пк ка 30Далее работа измерителя происходит аналогично описанному. В результате на выходе дешифратора 11 формируется импульсная последовательность с длительностью импульсов Си с периодомопределяемым выражением35 л В Ка+ г. =- 1 п - +Т А Каи".1 п -Како1 пА При выполнении условия 40 к к, к . Ка А Ка= п 1 п импульсного сигнала на выходе дешифратора 11 определяется выражением451 Т-- т.ебудет прямо пропорВ ф циональнд измеряемой температуреДляполучения прямого цифрового отсчетаизмеряемой температуры импульсный 50сигнал с выхода дешифратора 11 подается нд первый вход цифрового частотомера 24. Сигнал с выхода генератора 25 управляемой опорной частотычастотометра 24 через его выход опор ной частоты поступает на счетный входвторого счетчика 12. Одновременнона вход нулевого сброса второго счетчика 12 поступает импульс с выхолд первого элемента 11 10. Тдк кдк импульс ца выходе первого элемента И формируется в момент цачдлд Формирования временного ццтерндлд задержки, то задний фронт импульса, сформированного ца выходе второго счетчика 12, соответствующий моменту его переполнения, появится после момента начала формирования временного интервала задержки через управляемый временный интервал Су, определяемый частотой Г выходного сигналя генератора управляемой опорной части и коэффициента пересчета К второгоКсчсчетчика 12:= . Временнае у7Я диаграмма сигнала на выходе счетчика 12 представлена на графике 45. Формирователь 13 заднего фронта по заднему фронту импульса с выхода второго счетчика 12 формирует единичный импульс, передний фронт которого соответствует окончанию управляемого временного интервала Су. Временная диаграмма сигнала на выходе формирователя 13 заднего фроцта представлена на графике 46. Одновременно формирователь 14 переднего фронта формирует на своем выходе импульс, передний фронт которого совпадает с моментом окончания временного интервала задержки 1, так как передний фронт единичного импульса на выходе дешифратора 11, соединенном с входом формирователя 14 переднего фронта, совпадает с моментом окончания формирования временного интервала задержки. Временная диаграмма сигнала на выходе формирователя 14 переднего фронта представлена на графике 47. Импульсы с выходов формирователей 13 и 14, поступая на входы второго элемента И 15, формируют на его выходе единичный импульс, временная диаграмма которого представлена на графике 48, только в случае, если они придут одновременно, т.е. когда г. = г Импульс с выхода второго элемента И поступает на один из входов второго элемента ИЛИ 17, на другой вход которого поступает единичный импульс с выхода первого элемента И. Поэтому выход триггера 18 будет устанавливаться сигналом с выхода второго элемента ИЛИ 17 в нулевое состояние в момент начала формирования временного интервала здпержки и в случаеравенства Т-- у - в момент окончания временного интервала задержки.На выходе первого элемента ИЧИ 1 б, временная диаграмма сигнала которого представлена на графике 49, проходят единичные импульсы с выходов Формирователей 13 и 14. Причем в случае С ) Ту первым приходит импульс с выхода формирователя 13 заднего Фрон та, в случаег С- с выхода Формирователя 14 переднего фронта, а в случае С= 1 приходят одновременУно.Первый импульс, поступивший с выхода первого элемента ИЛИ на счетный вход триггера 18, перебрасывает его выход в единичное состояние, так как в момент начала формирования временного интервала задержки он был уста новлен в нулевое состоттние, а второй возвращает его в исходное нулевоеВ результате на выходе триггера 18, временная диаграмма сигнала которого представлена на графике 50, при Т) 25 ) Су сформируется единичный импульс длительностью С- 1 у, задний фронт которого совпадает с моментом окончания временного интервала задержки, при С Ь су - длительностьюу - С, 30 задний фронт которого совпадает с моментом окончания управляемого временного интервала, а при 1,т. =выход триггера удерживается в нулевом состоянии сигналом с выхода второго элемента И 15, поступающим через вто-З 5 рой элемент ИЛИ 17 на вход нулевого сброса триггера 18. Так как сигнал на выходе дешифратора 11 имеет единичное значение только после окончания формирования временного интерва 40 ла задержки, он, поступая на один из входов четвертого элемента И, пропустит единичный импульс с выхода триггера 18 на выход четвертого элемента И 20 только в случае(г45 Проинвертированный инвертором 21 сигнал с выхода дешифратора 11 принимает единичное значение только в течение формирования временного интервала задержки; поэтому он, поступая на 50 один из входов третьего элемента И 19, пропускает единичный сигнал с выхода триггера 18 на выход третьего элемента И 19 только в случае, когдаВременные диаграммы выходных 55 сигналов третьего 19 и четвертого 20 элементов И представлены соответственно на графиках 5 1 и 52 (фиг.2),Сигнал с выхода третьего птментдИ 19 поступает на неинвертпрующнйвход дифференциального У 11 Т 22, д свыхода четвертого элемента И 20нд инвертирующий, т.е, при 1) 1на неинвертируюший вход дифференциального УПТ 22 поступдет единичныйимпульс и на инвертируюший - нулевой сигнал, при тУ наоборот, дпри Т= Т У - нд обоих входах присутствует нулевой сигнал, В результате на выходе дифференциального УПТ22 приУ сформируется импульсположительной полярности, приотрицательной, а при С ) = 1: нупевойсигнал,Напряжение с выхода дифференциального УПТ 22, временная диаграммакоторого представлена на граФике 53,поступая через вход интегратора 23на вывод резистора 39 с сопротивлением К, определяет величину и направление тока через него. Вследствиетого, что неинвертирующий вход операционного усилителя 37, имеющего высокий коэффициент усиления, соединен сшиной нулевого потенциала, токпротекающий через конденсатор 38,будет определяться выражением ,Гбк цит тоГда выходное напряжениеП , , будет. изменяться по закону1. ьт ттВых. Янт Вы Инт ( " р Сгде С - емкость конденсатора 38;П цт(0) - начальное напряжение нд конденсаторе 38. Так как при )нд вход интегратора 22 поступает импульс положительной полярности, выходное напряжение операционного УПТ 37 в течение длительности импульса будет линейно убывать, при С тт, т.е. отрпцдтельном импульсе напряжения нд входе интегратора 23, - линейно возрастать, а при Т= 1 у и нулевом сигндпе на входе интегратора 23 - сохранять ионходныи уровень, определяемый величиной напряжения на конденсаторе 38.Временная диаграмма напряжения нд выходе интегратора представлена нд графике 54, Выходной сигнал интегратора 23 поступает через второй вход цИфрового частотомера 24 нд вход ге 1390516нератора 25 управляемой опорной частоты. При возрастании напряжения на входе генератора 25 управляемой опорной частоты, т.е. при С ( Еучастота импульсного сигнала на его выходе увеличивается, при уменьшении, те.при Г. ) С, уменьшается, а при сохранении постоянного значения - остается постоянной. При этом так как длительность управляемого временного интервала Сопределяется частотой импульсного сигнала на выходе генератора управляемой опорной частотыК с 15 Ге: 1 = , при С1 она будет уменьшаться, а при С л ) Т - увеличиваться. В результате частота сигнала на выходе генератора 25 управляемой опорной частоты будет изме 20 няться до тех пор, пока не приметзначение Г, при котором выполняетсяусловие С = , после чего будетсохранять постоянное значение, С учеКсч л ф 25том Т =и Т = ис 1 иКа Ксч 1ГК иС 1 и ( - )КИмпульсный сйгнал с выхода генератора управляемой опорной частоты, поступая на вход делителя 26 частоты, формирует на его выходе импульсный сигнал с длительностью единичного импульса, определяемого выражением 30 35 Кдел апф 7где К - коэффициент деления делиСелтеля 26 частоты,40Этот сигнал, поступая на один извходов элемента И 27, разрешает в течение опорного временного интервалапрохождение на выход элемента И 27и импульсов с выхода дешифратора 11,45поступающих на другой вход элементаИ, и = Г е , где Г - частота импульсного сигнала на выходе дешифратора 11, Одновременно импульсный сигнал с выхода делителя 26 частоты,поступая на вход нулевого сброса рабочего счетчика, устанавливает его висходное нулевое состояние по своемупереднему фронту, а поступая на входзаписи блока памяти по своему заднему фронту, - переписывает содержимое 55рабочего счетчика 28 в блок 29 памяти. Выходной сигнал элемента И 27 поступает на счетный вход рабочего счетчика 28. В результате в блоке 29 памяти будет записан код преобразоваванным цифровым индикатором 30 в число И = и = Г Са, которое с учетом равенства Г = Т/7 можно представить в видеТ,Кел Кя Т К лел 1 = - Г -- и 1 и= (-) -- иВ К Ка В Ксч 1 и(-). К Ко Таким образом, результат измерения не зависит от постоянной времени генератора 7 экспоненциального напряжения и значения частоты импульсного сигнала на выходе генератора 25 опорной частоты.К делПри выполнении условия в иВ К 1 и(-) = 1 получаем И = Т, т.е. пряомой цифровой отсчет измеряемой температурыФормула изобретенияПифровой измеритель температуры, содержащий источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу генератора экспоненциального напряжения и входу аналогового ключа, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора, а первый и второй выходы соответственно через терморезистор и дополнительный резистор подключены к инвентирующему входу усилителя постоянного тока с резистивной отрицательной обратной связью, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом генератора экспоненциального напряжения, а выход подключен к управляющему входу генератора экспоненциального напряжения и счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с входами дешифратора, а вход нуле- ного сброса подключен к выходу первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, а второй вход - с выходом дешифратора, цифровой частотомер, включающий в себя управляемый генератор, элемент И, блок памяти, цифровой индикатор, рабочий счетчик и делитель частоты, вход которого соединен с выходом управляемого генератора, а вы12 1390516 Составитель В. АгаповаТехред М.Ходаннч К ктор А, Обручар харь дактор Тираж 607 П Государственного комитета лам изобретений и открытий осква, Ж Раушская наб. Заказ 1760 4 дписноССР ВНИИПИ 113 оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная ход подключен к первому входу элемента И, входу нулевой установки рабочего счетчика и входу записи блокапамяти, выход которого подключен кблоку цифровой индикации, а входысоединены с выходами рабочего счетчика, счетный вход которого подключен к выходу элемента И, второй входкоторого соединен с выходом дешифратора, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерения, в него введены формировательпереднего фронта импульсов, дваэлемента ИЛИ, инвертор, триггер,дифференциальный усилитель постоянного тока, интегратор, формировательзаднего фронта импульсов, три элемента И и второй счетчик импульсов,.счетный вход которого соединен с 20выходом управляемого генератора цифрового частотомера, вход нулевойустановки подключен к выходу первогоэлемента И, а выход через формирователь заднего фронта импульсов подключен к первым входам второго элемента И и первого элемента ИЛИ, вторые входы которых подключены к формирователю переднего фронта импульсов, а выходы соответственно подключены к первому входу второго элемента ИЛИ и счетному входу триггера, входустановкинуля которого соединен с выходом второгоэлемента ИЛИ, а выходпод" ключен к первымвходам третьегои четвертого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходом и входом инвертора, соединенным с входом формирователя переднего фронта импульсов, выходом дешифратора, а выход первого элемента И соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, при этом входы дифференциального усилителя постоянного тока соединены соответственно с выходами третьего и четвертого элементов И, а выход подключен к входу интегратора, выход которого подключен к управляющему входу управляемого генератора цифрового частотомера,б.у г,сС